När det gäller att söka efter världar som kan stödja utomjordiskt liv, litar forskare för närvarande på "låghängande frukt" -metoden. Eftersom vi bara känner till en uppsättning villkor under vilka livet kan frodas - det vill säga vad vi har här på jorden - är det vettigt att leta efter världar som har samma förhållanden. Dessa inkluderar att vara belägen i en stjärnas bebodda zon, ha en stabil atmosfär och kunna hålla flytande vatten på ytan.
Fram till nu har forskare förlitat sig på metoder som gör det mycket svårt att upptäcka vattenånga i atmosfären på markplaneter. Men tack vare en ny studie ledd av Yuka Fujii från NASAs Goddard Institute for Space Studies (GISS), kan det vara på väg att förändras. Med hjälp av en ny tredimensionell modell som tar hänsyn till globala cirkulationsmönster indikerar denna studie också att bebodda exoplaneter kan vara vanligare än vi trodde.
Studien, med titeln "NIR-driven Moist Upper Atmospheres of Synchronously Rotating Temperate Terrestrial Exoplanets", dykte nyligen upp i The Astrophysical Journal. Förutom Dr Fujii, som också är medlem i Earth-Life Science Institute vid Tokyo Institute of Technology, inkluderade forskarteamet Anthony D. Del Genio (GISS) och David S. Amundsen (GISS och Columbia University).
För att uttrycka det enkelt, är flytande vatten väsentligt för livet som vi känner till det. Om en planet inte har en tillräckligt varm atmosfär för att hålla flytande vatten på ytan under en tillräcklig tid (i storleksordningen miljarder år), är det osannolikt att livet kommer att kunna dyka upp och utvecklas. Om en planet är för avlägsen från sin stjärna kommer dess ytvatten att frysa; om det är för nära förångas dess ytvatten och förloras i rymden.
Medan vatten har upptäckts i atmosfärerna av exoplaneter tidigare, var planeterna i alla fall massiva gasjättar som kretsade mycket nära sina stjärnor. (alias "Hot Jupiters"). Som Fujii och hennes kollegor säger i sin studie:
”Även om H2O-signaturer har upptäckts i atmosfären hos heta Jupiters, är det mycket utmanande att upptäcka molekylära signaturer, inklusive H2O, på tempererade markplaneter, på grund av den lilla planetradie och den lilla skalhöjden (på grund av den lägre temperaturen och förmodligen större medelvärdet molekylvikt)."
När det gäller markbundna (dvs. steniga) exoplaneter tvingades tidigare studier att förlita sig på endimensionella modeller för att beräkna närvaron av vatten. Detta bestod av att mäta väteförlust, där vattenånga i stratosfären bryts ned till väte och syre från exponering för ultraviolett strålning. Genom att mäta hastigheten med vilken väte går förlorat i rymden skulle forskare uppskatta mängden flytande vatten som fortfarande finns på ytan.
Men som Dr. Fujii och hennes kollegor förklarar förlitar sig sådana modeller på flera antaganden som inte kan tas upp, som inkluderar den globala transporten av värme och vattenånga, samt effekterna av moln. I grunden förutspådde tidigare modeller att för vattenånga för att nå stratosfären skulle långvariga yttemperaturer på dessa exoplaneter behöva vara mer än 66 ° C (150 ° F) högre än vad vi upplever här på jorden.
Dessa temperaturer kan skapa kraftfulla konvektiva stormar på ytan. Dessa stormar kunde dock inte vara anledningen till att vatten når stratosfären när det gäller att långsamt roterande planeter kommer in i ett fuktigt växthusstillstånd - där vattenånga intensifierar värmen. Det är känt att planeter som går i närhet till sina moderstjärnor har antingen en långsam rotation eller att de är tidigt låsta med sina planeter, vilket gör konvektiva stormar osannolika.
Detta inträffar ganska ofta för markplaneter som är belägna runt lågmassa, ultraljuda, M-typen (röd dvärg). För dessa planeter betyder deras närhet till deras värdstjärna att det är gravitationspåverkan kommer att vara tillräckligt stark för att bromsa eller helt stoppa deras rotation. När detta inträffar bildas tjocka moln på planeten på dagen och skyddar den från mycket av stjärnans ljus.
Teamet fann att även om detta kunde hålla dagsläget svalt och förhindra att vattenånga stiger, kan mängden nästan infraröd strålning (NIR) ge tillräckligt med värme för att få en planet att komma in i ett fuktigt växthusstillstånd. Detta gäller särskilt M-typen och andra coola dvärgstjärnor, som är kända för att producera mer i vägen för NIR. När denna strålning värmer molnen, kommer vattenånga att stiga in i stratosfären.
För att hantera detta förlitade sig Fujii och hennes team på tredimensionella allmänna cirkulationsmodeller (GCM) som innehåller atmosfärisk cirkulation och klimatheterogenitet. För deras modell började teamet med en planet som hade en jordliknande atmosfär och var helt täckt av hav. Detta gjorde det möjligt för teamet att tydligt se hur variationer i avstånd från olika typer av stjärnor skulle påverka förhållandena på planetsytor.
Dessa antaganden gjorde det möjligt för teamet att tydligt se hur förändring av omloppsavståndet och typen av stjärnstrålning påverkade mängden vattenånga i stratosfären. Som Dr. Fujii förklarade i ett pressmeddelande från NASA:
”Genom att använda en modell som mer realistiskt simulerar atmosfäriska förhållanden upptäckte vi en ny process som styr exoplaneternas livsmiljö och kommer att vägleda oss när det gäller att identifiera kandidater för vidare studier ... Vi fann en viktig roll för den typ av strålning som en stjärna avger och effekten har på den atmosfäriska cirkulationen av en exoplanet för att göra det fuktiga växthusstillståndet. ”
I slutändan demonstrerade teamets nya modell att eftersom lågmassastjärna avger huvuddelen av deras ljus vid NIR-våglängder, kommer ett fuktigt växthusstillstånd att resultera i att planeter kretsar nära dem. Detta skulle resultera i förhållanden på deras ytor som kan jämföras med vad Jorden upplever i tropikerna, där förhållandena är varma och fuktiga, istället för varma och torra.
Dessutom indikerade deras modell att NIR-driven processer ökade fuktigheten i stratosfären gradvis, till den punkt att exoplaneter som kretsar närmare sina stjärnor kunde förbli bebodda. Detta nya tillvägagångssätt för att bedöma möjlig livsmiljö kommer att göra det möjligt för astronomer att simulera cirkulationen av planetariska atmosfärer och de särdragen i den cirkulationen, vilket är något endimensionell modeller inte kan göra.
I framtiden planerar teamet att utvärdera hur variationer i planetariska egenskaper - såsom tyngdkraft, storlek, atmosfärisk sammansättning och yttryck - kan påverka vattenångscirkulationen och livsmiljön. Detta kommer, tillsammans med deras tredimensionella modell som tar hänsyn till planetära cirkulationsmönster, att astronomer kan bestämma den potentiella livsmiljön för avlägsna planeter med större noggrannhet. Som Anthony Del Genio antydde:
”Så länge vi känner till stjärnans temperatur kan vi uppskatta om planeter nära deras stjärnor har potential att vara i fuktigt växthusstillstånd. Nuvarande teknik kommer att pressas till gränsen för att upptäcka små mängder vattenånga i en exoplanets atmosfär. Om det finns tillräckligt med vatten att upptäcka, betyder det förmodligen att planeten befinner sig i det fuktiga växthusstillståndet. ”
Utöver att erbjuda astronomer en mer omfattande metod för att bestämma exoplanetens livsmiljö, är denna studie också goda nyheter för exoplanetjägare i hopp om att hitta beboelige planeter runt stjärnor av M-typ. Lågmassa, ultraljuda stjärnor av M-typ är den vanligaste stjärnan i universumet och står för ungefär 75% av alla stjärnor i Vintergatan. Att veta att de kan stödja bebyggda exoplaneter ökar risken för att hitta en.
Dessutom är denna studie väldigt goda nyheter med tanke på den senaste forskningsgraden som har kastat allvarligt tvivel på M-typstjärnornas förmåga att vara värd för planeten. Denna forskning genomfördes som svar på de många markbundna planeterna som har upptäckts i närheten av röda dvärgar under de senaste åren. Det de avslöjade var att röda dvärgstjärnor i allmänhet upplever för mycket utbländning och kunde strippa sina respektive planeter från sina atmosfärer.
Dessa inkluderar 7-planeten TRAPPIST-1-systemet (varav tre är belägna i stjärnans beboeliga zon) och den närmaste exoplaneten till solsystemet, Proxima b. Det stora antalet jordliknande planeter som upptäcktes runt stjärnor av M-typ, i kombination med denna klass av stjärnas naturliga livslängd, har lett många i det astrofysiska samhället att våga sig att röda dvärgstjärnor kan vara det mest troliga stället att hitta bebodda exoplaneter.
Med den senaste studien, som indikerar att dessa planeter trots allt kan vara bebodda, verkar det som om bollen faktiskt är tillbaka i deras domstol!
